CN102854090B - 基于超声导波的液体粘滞系数检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体粘滞系数测定，属于超声无损检测领域。该检测方法的检测装置包括金属探杆，磁致伸缩传感器以及综合功能模块，其中金属探杆与磁致伸缩传感器安装制作为装置的硬件核心部分。由于传感器在探杆中可激励扭转模态超声导波，当探杆浸入不同粘滞系数的液体中，沿探杆传播的导波能量衰减系数不同。因此，通过测量导波在不同条件下的能量衰减系数，可反映出液体粘滞系数。定义探杆浸润到不同液体中时端面回波幅值与空气中端面回波幅值的比值为相对反射系数RF，并建立粘滞系数与相对反射系数、频率、温度等参数的关系公式及修正公式，从而计算出液体的粘滞系数。本发明的优势在于该检测方法实施简便，所采用的检测系统可实现在线检测。

Description

基于超声导波的液体粘滞系数检测装置及方法

技术领域

本发明专利涉及液体粘滞系数的测定，属于超声无损检测领域，具体为一种利用磁致伸缩传感器在金属探杆中激励扭转模态超声导波，通过建立超声导波经液体作用后导波能量反射系数与液体粘滞系数的关系，实现液体粘滞系数测定的检测装置及方法。

背景技术

粘滞系数是表征液体性质的一个重要物理量，测定液体粘滞系数在各种实际工程均有重要意义。如水力、热力工程中，由于流体的粘弹性引起流体在管道中长距离输送时的能量消耗问题；机械工业中，各种润滑油的选择及质量检测，如掺假和分层问题；医学上可以用它来分析、研究血液的粘滞性，得出有价值的诊断材料。超声无损检测方面，当被检测对象浸润在液体中，液体的粘弹性对检测结果具有干扰作用。目前常用的方法是采用取样的方式对被检液体的粘滞系数进行测定，即将被检液体脱离原工作环境或容器后进行测定。由于环境因素特别是温度对液体粘滞系数具有明显的影响，这种测定方法不能准确反映当前工作状态下液体的粘滞系数，且测定实验操作繁琐，不利于工程实际检测。本发明中所提及到的测定方法可以实现对液体粘滞系数的在线检测。测定时仅需将传感器所装配的探杆浸润于被测液体中，通过后续处理模块即可实现对于液体粘滞系数的测定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有液体粘滞系数检测方法离线检测、环境适应性差、实验操作繁琐的缺点，提出一种基于超声导波的操作简单易行的在线液体粘滞系数测定装置及方法。

本发明所述方法的基本原理是当金属探杆2一部分插入液体中时，通过利用磁致伸缩传感器3在杆中激励扭转模态超声导波，导波沿金属探杆传播。当导波遇到金属探杆端面后将发生反射，由于待测液体1的粘滞系数不同，导波传播过程中泄漏到介质中的能量不同。因此，接收到的金属探杆端面反射信号的能量的衰减程度也不同。以杆在空气中接收到的反射信号为参考标准，定义探杆浸润到不同液体中时接收的端面反射信号能量与空气中接收的端面反射信号能量的比值为反射系数RF，RF随不同液体的粘滞系数及探杆的浸润深度变化。通过建立粘滞系数η与相对反射系数RF、液体密度ρ、导波杆浸润长度L、频率f的关系式，η＝f(RF,L,f,ρ)，即可依据实际所测取的反射系数RF和浸润深度L等相关参数计算得到液体的粘滞系数，其具体表达式为：

η＝4πρf(L/InRF)²

其中，由于液体粘度系数对于温度比较敏感，所以还需根据具体当前温度值对于计算所得的粘滞系数进行修正。修正公式为

log₁₀η＝a+b/T

其中a，b为特征系数，T为绝对温度。对于不同液体需进行标定拟合，首先给出该种液体在一定范围内不同温度下的粘度标准值，通过差值拟合确定特征系数a，b，然后可以根据拟合的曲线计算修正后的粘度值。

检测系统由金属探杆2，磁致伸缩传感器3以及综合功能模块7组成。

磁致伸缩传感器3安装于金属探杆2的一端，整体构成装置的检测探头。其中金属探杆的直径应大于1mm；金属探杆的长度可根据实际检测液体深度进行选择，应大于30cm，以便于激励信号与端面反射信号的识别。

磁致伸缩传感器3可以根据金属探杆2的直径大小制作安装于金属探杆的表面，并在金属探杆中激励扭转模态超声导波，以用于实际测量。如图2所示,该探头的结构由金属探杆2、铁钴带6、塑料套筒5、线圈4等四部分组成，其中，金属探杆2与铁钴带6通过环氧胶黏结，黏结前将铁钴带分成尺寸相同的四段。

综合功能模块3包括激励接收装置8、温度测量装置9、探杆浸润深度测量装置10、数据处理模块11和结果显示模块12。该模块能为传感器提供激励源，激励源的激励信号周期可调，在保证能量的基础上，周期越小越好，以提高信号的分辨率；能够自动测量当前检测温度和探杆浸润深度参数，并将参数上传给信号处理模块，用于计算粘滞系数；能够接收激励信号并通过程序对接收的信号进行数据处理，计算液体的粘滞系数并显示计算结果。该模块可根据该检测方法的不断成熟与完善，而使得功能更加集成，体积不断减小，最终设计出一种便于携带的检测装置，使得检测更加灵活与便捷。

本发明装置及方法检测方法原理简单易于实现；对于硬件要求低；检测探杆体积小，可以使用于缝隙小不宜人工操作取样的环境；技术成熟后，可以实现对于液体粘滞系数的自动在线测量，且操作简便，具有实际应用价值。

附图说明

图1检测方法系统图；

图2传感器结构示意图；

图3方法可行性试验结果：两种不同粘滞系数液体(水、蜂蜜)试验接收信号；

图4方法可行性试验结果：接收信号中端面回波区域信号对比结果；

图5液体分层检测可行性试验结果。

图中：1、待测液体，2、金属探杆，3、磁致伸缩传感器，4、线圈，5、塑料套筒，6、铁钴带，7、综合功能模块，8、激励接收装置，9、温度测量装置，10、浸润深度测量装置，11、数据处理模块，12、结果显示模块。

具体实施方式

本发明检测系统装置由一根金属探杆2，磁致伸缩传感器3以及综合功能模块7组成。检测装置的核心是检测探头的安装制作，下面结合附图2对该探头的制作安装进行详细说明。检测探头是由装置中的金属探杆与磁致伸缩传感器共同构成，整体结构共分为4层，第一层为金属探杆2本身，第二层为铁钴带6，制作前先将铁钴带裁成大小形状相同的四段对称放置在探杆的表面，然后套上第三层的塑料套筒5，并使用环氧胶将三者固定在一起，最后在套筒上缠绕线圈并固定。

检测方法的具体实施方式可以分为两种：一种为测量液体的粘滞系数，另一种为根据液体的粘滞系数变化表征液体的分层现象。

检测时的具体实施措施为：首先按照附图1搭建整体的检测系统，然后在空气耦合状态下，综合功能模块中激励接收装置8激励传感器产生扭转模态导波，导波沿着金属探杆2进行传播，采用自激自收方式，由激励接收装置8接收回波信号，并将该信号作为参考信号进行存储。

接着将金属探杆2一端浸入被检测液体1中，接收在当前液体耦合状态下的端面反射信号，将该信号与上文中提到的参考信号进行计算得到相对反射系数RF，最后数据处理模块综合测得的多种参数，通过公式η＝4πρf(L/InRF)²以及修正公式log₁₀η＝a+b/T进行计算，得出液体粘滞系数的最终计算结果并进行显示。

为了验证两种实施方式方法原理的可行性，在实验室环境下作了如下验证性试验。

首先验证利用超声导波进行液体粘滞系数测量的可行性。试验参数如下：试验对象选择两种不同粘滞系数的液体(自来水、蜂蜜)，导波杆浸润液体深度均为10cm，室温15℃。选取图3中接收信号中第一次端面回波部分作为观察对象，对其进行放大显示如图4所示。实验结果显示，不同粘滞系数液体中的端面回波与空气中端面回波相比较，信号能量幅值的变化明显不同，且差异较大，因此信号的相对反射系数RF能够在一定程度上表征液体不同的粘滞特性，但需要通过参数修正以达到本方法所检测的结果与常规方法检测结果的一致性。

验证液体分层检测的可行性，同样选择蜂蜜和自来水两种液体作为试验对象；首先在自来水耦合的状态下，绘制探杆在不同浸润深度时端面回波最大值的归一化曲线。然后在水与蜂蜜分层液体(蜂蜜与水各5cm深度，蜂蜜在底层，水在表层)耦合状态下，同样绘制分层液体中探杆不同浸润深度时端面回波最大值的归一化曲线，如图5所示。实验结果显示由于采用激励扭转模态进行测量，自来水一般不可承受剪切应力，因此在自来水耦合状态下所测得的归一化曲线相对比较平缓，衰减较小；但在分层液体耦合状态下的结果显示，探杆逐步探入表层水的过程中测量结果变化相对比较平缓，由于有少部分蜂蜜溶解在水中，因此与在单一自来水耦合状态下的结果相比衰减稍大。进入分层界面(浸润深度5cm)后，检测信号的整体幅值下降明显，因此通过液体粘滞系数的跃变可以表征液体分层现象。

Claims (3)

1.基于超声导波的液体粘滞系数检测装置，其特征在于：其包括有磁致伸缩传感器(3)，与磁致伸缩传感器(3)相连进行数据处理的综合功能模块(7)，一端插入到磁致伸缩传感器(3)中心位置的用于置于待测液体(1)中的金属探杆(2)；所述的磁致伸缩传感器(3)为圆柱形，其在金属探杆(2)外侧从内到外依次为铁钴带(6)、塑料套筒(5)、线圈(4)，所述的铁钴带(6)为沿磁致伸缩传感器(3)周向布置尺寸均匀的四段；金属探杆(2)与铁钴带(6)通过环氧胶黏结；综合功能模块(7)中激励接收装置(8)与磁致伸缩传感器(3)相连；激励接收装置(8)，温度测量装置(9)，浸润深度测量装置(10)三者与数据处理模块(11)相连，向数据处理模块(11)提供接收信号及测量必要参数；数据处理模块(11)与结果显示模块(12)相连，对计算所得结果及相关参数进行显示。 

2.一种基于超声导波的液体粘滞系数的检测方法，其特征在于：采用权利要求1所述的基于超声导波的液体粘滞系数检测装置，将金属探杆(2)置于待测液体(1)中，采用超声导波技术，即激励接收装置(8)中产生激励简谐电信号，并将该信号发射给磁致伸缩传感器(3)，磁致伸缩传感器(3)中线圈(4)由于电磁效应产生磁场，而金属探杆(2)处在磁场中会沿磁化方向发生几何尺寸的变化，产生振动并沿金属探杆(2)传播，从而在金属探杆(2)中产生超声导波用于粘滞系数的检测；利用金属探杆(2)中导波能量衰减系数随不同液体粘滞系数变化而变化的检测原理进行粘滞系数的测定；具体为磁致伸缩传感器(3)及激励接收装置(8)激励并接收导波在空气中的参考回波信号及浸润液体后的实际回波信号，将检测到的回波信号传送到数据处理模块(11)，同时辅助模块温度测量装置(9)、浸润深度测量装置(10)也将辅助参数同时传送到数据处理模块(11)，数据处理模块(11)综合各种参数及信息，将参数代入公式η＝4πρf(L/InRF)²计算得到粘滞系数初步结果，其中，η为粘滞系数值，RF为相对反射系数，其表达式为RF＝A_emb/A_air，其中A_emb，A_air分别为浸入液体后和浸润液体前金属探杆(2)的端面回波幅值，由数据处理模块(11)通过分析激励接收装置(8)接收到的导波信号获取；ρ为液体密度，通过数据处理模块(11)中的数据库中直接读取用于计算；L为金属探杆(2)浸润长度，通过浸润深度测量装置(10)测得；f为频率，主要指激励接收装置(8)，通过磁致伸 缩传感器(3)，在金属探杆(2)中产生的超声导波的激励频率，再根据温度测量装置(9)测得的液体温度参数，通过修正公式log₁₀η＝a+b/T得到粘滞系数的最终结果，公式中a，b为特征系数，通过标定确定其值，T为绝对温度值。 

3.权利要求2所述的一种基于超声导波的液体粘滞系数的检测方法，其特征在于，具体检测方法步骤如下： 

1)搭建整体的检测系统，磁致伸缩传感器(3)与综合功能模块(7)连接，在空气耦合状态下，接收导波在金属探杆(2)中的反射信号并将该信号作为参考信号进行存储； 

2)将金属探杆(2)浸入待测液体(1)中，同样接收当前耦合状态下的反射信号，通过当前检测信号的端面回波与参考信号的端面回波信号的最大幅值计算得到相对反射系数RF，具体表达式为RF＝A_emb/A_air，数据处理模块(11)进行计算，得出液体的粘滞系数； 

检测液体分层时，将金属探杆(2)逐步深入浸润到待测液体(1)中，当出现粘滞系数的跃变，则可判断液体出现分层现象。